Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Aufbau, Prinzip & Vorteile

Wie funktioniert die Wärmepumpe – einfach erklärt

Wärmepumpen funktionieren, indem sie ihrer Umwelt Wärmeenergie entziehen. Diese wird durch einen physikalischen Kältemittel-Prozess in Heizwärme umgewandelt. Die Wärmeenergie wird entweder der Umgebungsluft, dem Grundwasser oder dem Erdreich entnommen. Damit funktionieren sie wie Kühlschränke, nur umgekehrt.

So funktionieren Kältemittel in Wärmepumpen

Wärmepumpen funktionieren immer nach dem Prinzip des sog. Kältemittelkreislaufs, und zwar unabhängig davon, ob Wasser, Erde oder Luft als Wärmequelle dient. Dieser Prozess findet in einem geschlossenen Kreislauf statt und wiederholt sich immer wieder. Er erfolgt in 4 Schritten:

• Schritt 1: Verdampfen der Flüssigkeit

Ein sog. Verdampfer überträgt die Wärme aus der Umwelt an die Wärmepumpe. Dort nimmt das flüssige Kältemittel die Wärmeenergie auf und verdampft, sobald es mit dieser in Kontakt kommt, und geht in einen gasförmigen Zustand über. Der Kältemittelkreislauf wird auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen in Gang gesetzt, da selbst im Winter ausreichend Umweltwärme vorhanden ist, um das spezielle Kältemittel zum Verdampfen zu bringen. Daher funktionieren Wärmepumpen das ganze Jahr über nach diesem Prinzip, sowohl im Winter als auch im Sommer.

• Schritt 2: Gasverdichtung

Das gasförmige Kältemittel wird nun durch einen Kompressor verdichtet. Durch diese Verdichtung steigen der Druck sowie das Temperaturniveau stark an. Der Kompressor – oder auch Verdichter – wird in der Regel elektrisch betrieben, weshalb Wärmepumpen für ihren Antrieb anteilig Strom benötigen. Jedoch wird für die Verdichtung des Kältemittels durchschnittlich nur ein Viertel der Gesamtenergie benötigt, während der Großteil weiterhin aus kostenloser Umweltenergie stammt. Dies macht Wärmepumpen zu einer äußerst effizienten Methode zur Wärmegewinnung.

• Schritt 3: Verflüssigung des Gases

Das verdichtete und erhitzte Kältemittel wird an den Heizkreislauf übertragen. Dort kühlt es schließlich ab und kehrt in einem Kondensator in seinen ursprünglichen, flüssigen Zustand zurück. Für die Verflüssigung des Kältemittels nutzen Wärmepumpen einen sog. Wärmetauscher. Die entstandene Wärme kann in diesem Schritt zur Raumheizung genutzt werden. Um die Wärme zu speichern, sind Wärmepumpen in der Regel mit einem Pufferspeicher ausgestattet.

• Schritt 4: Entspannung

Um den Druck des flüssigen Kältemittels wieder herabzusetzen, wird ein sog. Expansionsventil genutzt. Dadurch kühlt das Kältemittel weiter ab, bis die Ausgangstemperatur erreicht wird. Anschließend kann der Wärmepumpenkreislauf von vorn beginnen.

Wie funktioniert eine Luft-Wasser-Wärmepumpe?

Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen die Umweltwärme aus der Außenluft und können aus ein oder zwei Einheiten bestehen. Oftmals werden Luftwärmepumpen als sog. Monoblock-Variante angeschafft, allerdings gibt es sie auch in der sog. Split-Version.

Luft-Wasser-Wärmepumpen werden in der Regel vor dem Haus installiert. Denn dort ist der direkte Zugang zur Wärmequelle gegeben und die Umweltwärme kann am effizientesten genutzt werden. Um den Kältemittelkreislauf in Gang zu setzen, saugt ein eingebauter Ventilator die Außenluft an. Die Temperatur der Außenluft reicht auch im Winter aus, um das Kältemittel zum Verdampfen zu bringen. Luft-Wasser-Wärmepumpen funktionieren daher auch bei sehr niedrigen Temperaturen im zweistelligen Minusbereich zuverlässig.

Übrigens: Luft-Wasser-Wärmepumpen sind die beliebtesten Wärmepumpen in Deutschland, was hauptsächlich an der flexiblen und günstigeren Installation liegt. Sie eignen sich bspw. besonders für Altbauten und kleinere Eigenheime, da auf dem bereits bebauten Grundstück keine Arbeiten zur Erschließung der Wärmequelle durchgeführt werden müssen.

Die Funktionsweise einer Erdwärmepumpe

Erdwärmepumpen, die auch als Sole-Wasser-Wärmepumpe bezeichnet werden, gewinnen Umweltwärme aus dem Erdreich. Die Temperaturen in der Erde liegen in der Regel zwischen 7 und 13 °C Celsius, je nach Bodenqualität und Erdtiefe. Auch wenn die obere Erdschicht gefroren ist, halten sich diese Temperaturen konstant. Die gewonnene Umweltwärme wird ebenfalls durch einen Kreislauf mit Kältemittel geleitet, an dessen Ende die Wärmeenergie zum Heizen genutzt werden kann.

Die Erdwärme lässt sich bspw. mittels Erdkollektoren, die nah unter der Erdoberfläche verlegt werden, gewinnen. Eine weitere Funktionsweise ist die Verlegung von Erdsonden, die bis zu 100 m tief in der Erde liegen können. Diese Variante erfordert zwar Erdgrabungen oder Bohrungen, kann jedoch erforderlich sein, wenn die Bodenqualität in geringer Tiefe nicht ausreicht, um die Effizienz der Erdwärmepumpe zu gewährleisten.

Für die Verlegung von Erdkollektoren muss das Grundstück zudem eine gewisse Größe aufweisen, da die Kollektoren fast wie eine Fußbodenheizung unterhalb der Erdoberfläche verlegt werden.

So funktioniert eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Wasser-Wasser-Wärmepumpen, auch Grundwasserwärmepumpen genannt, nutzen die im Grundwasser enthaltene Wärmeenergie, um Heizenergie zu erzeugen. Dafür werden in der Regel ein oder zwei Brunnen gegraben, durch die das Grundwasser mittels Rohren nach oben gepumpt wird und so zur Wärmepumpe gelangt. Die Wärme aus dem Grundwasser wird durch den Verdichter aufgenommen, das Kältemittel verdampft und der Wärmepumpenkreislauf wird in Gang gesetzt. Wie tief die Bohrung für den Förderbrunnen erfolgt, richtet sich nach der Höhe des Grundwasserspiegels.

Die Funktion von Grundwasserwärmepumpen kann durch zunehmende Dürreperioden beeinträchtigt werden. Dieses recht neue Phänomen trat bspw. im Sommer 2023 vermehrt in einigen Regionen Deutschlands auf, in denen der Grundwasserspiegel zu gering war. Dadurch funktionierten einige Grundwasserwärmepumpen nicht mehr ordnungsgemäß und fielen zeitweise aus. Allerdings ist dieses Problem behoben, sobald die Grundwasserspiegel wieder aufgefüllt sind. Zum Defekt einer Anlage kann es dadurch in der Regel nicht kommen.

Wie funktioniert die Wärmepumpe bei Minusgraden?

Auch an kalten Wintertagen geben Grundwasser, Außenluft und Erdreich ausreichend Wärme ab, um Ihr Haus zu heizen und mit warmem Frischwasser zu versorgen. Selbst bei sehr niedrigen Minusgraden sind Wärmepumpen technisch in der Lage, ausreichend Wärmeenergie für Ihr Haus zu produzieren. Bei sehr niedrigen Temperaturen arbeitet die Anlage lediglich etwas weniger effizient.

Denn je niedriger die Temperatur der Wärmequelle ist, umso mehr Energie muss aufgebracht werden, um den Temperaturunterschied zur eingestellten Vorlauftemperatur der Wärmepumpe zu überwinden.

Ein weitverbreiteter Irrglaube ist, dass Wärmepumpen bei sehr niedrigen Temperaturen einfach ausfallen. Dass dies nicht richtig ist, beweist u. a. die hohe Wärmepumpendichte in skandinavischen Ländern. Im kalten Norden wurden im Jahr 2022 zehnmal mehr Wärmepumpen installiert als in Deutschland – und das, obwohl die Winter dort deutlich härter sind.

Damit ist klar: Die Wärmepumpe funktioniert auch bei Minusgraden.

Welche Funktion hat der Heizstab in der Wärmepumpe?

Luft-Wasser-Wärmepumpen arbeiten im sogenannten monoenergetischen Betrieb. D. h., zur Heizungsunterstützung ist standardmäßig ein zweiter Wärmeerzeuger eingebaut. Dabei handelt es sich in der Regel um einen elektrisch betriebenen Heizstab. Dieser kommt jedoch nur zum Einsatz, wenn die Temperaturen auf ein so niedriges Niveau absinken, dass die Wärmepumpe alleine nicht mehr effizient heizen kann. Außentemperaturen im zweistelligen Minusbereich, bei denen dies der Fall ist, gibt es in unseren Breitengraden jedoch immer seltener. Daher macht der Anteil des Heizstabs weniger als 5 % des jährlichen Heizbedarfs aus. Das Zu- und Abschalten übernimmt die Wärmepumpe automatisch.

Ein Heizstab kann auch zum Erhitzen von Flüssigkeiten eingesetzt werden. Dabei wird durch elektrische Energie eine Metallkomponente erhitzt, die ihre Wärme z. B. auf Wasser überträgt. Solche Heizstäbe finden sich in Pufferspeichern von Wärmepumpenheizungen, dienen aber auch zur Warmwasserbereitung und können mit Solarlösungen wie Photovoltaik oder Solarthermie betrieben werden.

Gut zu wissen: Die Luft-Wasser-Wärmepumpe von thermondo heizt auch bei sehr niedrigen Minusgraden noch effektiv. So wird auch bei extremer Kälte ein zuverlässiger Betrieb sichergestellt.

Funktion Wärmepumpe: Wirkungsgrad & Stromverbrauch

Wärmepumpen nutzen rund 75 % kostenlose Umweltenergie zur Wärmegewinnung. Lediglich zur Verdichtung des Kältemittels benötigt der Kompressor Strom. Dies macht ca. 25 % des benötigten Energiebedarfs aus. So kann die Wärmepumpe aus einer Kilowattstunde (kWh) Strom durchschnittlich 4 kWh Wärme produzieren. Dementsprechend liegt der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe bei 400 %.

Zum Vergleich: Der Wirkungsgrad anderer Heizsysteme – bspw. Öl- oder Gasheizungen mit Brennwerttechnik – beträgt in der Praxis rund 90%.

Wie viel Strom eine Wärmepumpenheizung verbraucht, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Neben dem verwendeten Kältemittel und der korrekten Dimensionierung der Wärmepumpe spielt auch eine gute Dämmung von Fenstern und Türen eine Rolle. Eine aufwendige und teure Fassadendämmung ist übrigens auch bei Altbauten in der Regel nicht notwendig, damit Wärmepumpen effizient funktionieren. Zumal solche Sanierungsmaßnahmen das Risiko von Schimmelbildung im Haus erhöhen.

Wichtig ist allerdings, dass die Warmwasserleitungen des Gebäudes gut isoliert werden. Dies reduziert nicht nur Energieverluste, sondern minimiert auch den Wärmebedarf und damit die benötigte Vorlauftemperatur der Wärmepumpe. Diese nimmt nämlich großen Einfluss auf den Stromverbrauch einer Wärmepumpe. Denn je geringer der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und gewünschter Temperatur des Heizwassers, desto effizienter arbeiten Wärmepumpen und benötigen dementsprechend weniger Strom.

Daher eignen sich großflächige und Niedertemperatur-Heizkörper besonders gut für Wärmepumpen. Aber auch mit normalen, etwas größer dimensionierten Heizkörpern und Vorlauftemperaturen bis 55 °C lässt sich das Eigenheim mittels Wärmepumpe effizient beheizen.

Gut zu wissen: Die Luft-Wasser-Wärmepumpe von thermondo heizt bis zu 55 °C Vorlauftemperatur hocheffizient. An sehr kalten Tagen erzielt sie bis 75 °C und heizt weiter effektiv und zuverlässig.

Funktionieren Wärmepumpen auch ohne Fußbodenheizung?

Die Kombination aus Wärmepumpe und Fußbodenheizung ist, entgegen weitverbreiteter Annahmen, nicht nötig. Zwar sind viele Neubauten von Anfang an mit einer Fußbodenheizung ausgestattet, was für Wärmepumpen eine hervorragende Voraussetzung ist, da beide Systeme mit ähnlichen Vorlauftemperaturen arbeiten. Allerdings arbeiten Wärmepumpen auch ohne Fußbodenheizung und – wie bereits erwähnt – mit normalen Heizkörpern gut zusammen. Viel wichtiger ist nämlich die korrekte Dimensionierung der Wärmepumpe, die daher nur von einem Fachbetrieb vorgenommen werden sollte. Das Gebäudealter und die Heizkörper spielen daher keine Rolle, damit Wärmepumpen sparsam heizen können.

Zu diesen Ergebnissen kam auch ein fünfjähriges Forschungsprojekt des Fraunhofer-Instituts, das die Effizienz von Wärmepumpen im Bestands- und Altbau untersuchte, die in der Regel nicht mit einer Fußbodenheizung ausgestattet sind.

Quelle: Fraunhofer-Institut (2014–2019), WPsmart im Bestand: Wärmepumpenfeldtest – Fokus Bestandsgebäude und smarter Betrieb

Gut zu wissen: Dass Wärmepumpe und Fußbodenheizung nicht zwingend kombiniert werden müssen, zeigen auch die Wärmepumpen-Installationen von thermondo. Über 90 % der Kunden von thermondo leben in einem Bestandsgebäude mit normalen Heizkörpern. Lediglich bei 6 % mussten einzelne Heizkörper ausgetauscht werden, um einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe zu gewährleisten. Die meisten Gebäude waren Alt- und Bestandsbauten aus den Jahren 1975 bis 2000 oder älter, nur 15 % waren Neubauten. Zweidrittel davon hatten eine Wohnfläche von 100 bis 200 m².

Funktionieren Wärmepumpen auch im Altbau?

Durch den technischen Fortschritt funktionieren Wärmepumpen auch im Altbau sehr effektiv und sind daher auch für die Nachrüstung im Gebäudebestand wirtschaftlich sinnvoll. Rund 40 % aller Bestandsbauten in Deutschland können ohne zusätzliche Sanierungsmaßnahmen effizient mit einer Wärmepumpe beheizt werden und rund 30 % Heizkosten einsparen, wenn Sie bspw. Ihre alte Gasheizung auf eine Wärmepumpe umrüsten. Zudem werden bereits heute knapp 60 % aller Neubauten von Anfang an mit Wärmepumpen ausgestattet und heizen ohne fossile Brennstoffe.

Besonders Luft-Wasser-Wärmepumpen haben sich durch ihre kompakte Bauweise und flexible Installation für den Einsatz in Einfamilienhäusern bewährt.

Funktioniert die Wärmepumpe auch zum Kühlen?

Wärmepumpen werden primär zum Heizen und zur Warmwasserversorgung eingesetzt. Allerdings werden vor allem Luftwärmepumpen oftmals auch als Klimaanlage genutzt. Grundwasser- und Erdwärmepumpen können allerdings ebenfalls als Klimaanlage fungieren, da sie auf demselben Funktionsprinzip, wie Luft-Wasser-Wärmepumpen basieren. Hierbei differenziert man zwischen aktiver und passiver Kühlung:

• Funktionsprinzip der Wärmepumpe bei der aktiven Kühlung

Bei der aktiven Kühlung invertiert die Wärmepumpe ihren Kältemittelkreislauf. Dies bedeutet, dass die Wärme aus dem Innenraum aufgenommen und an die Umgebung abgegeben wird. Diese Methode ist sehr effizient, benötigt jedoch den Einsatz des strombetriebenen Kompressors, was den Stromverbrauch der Wärmepumpe erhöht.

• So funktionieren Wärmepumpen mit passiver Kühlung

Um den Energieverbrauch zu minimieren, besteht auch die Option der passiven Kühlung. Hierbei wird die Wärme aus dem Raum über das Heizwasser aufgenommen, durch den Wärmetauscher gekühlt und dann an die Heizkörper zurückgeführt. Dabei wird der strombetriebene Kompressor umgangen. Diese Kühlungsart ist zwar nicht so effektiv wie die aktive Kühlung, aber besonders sparsam.

Luft-Wasser-Wärmepumpen sind nur in der Lage, aktiv zu kühlen. Grundwasser- und Erdwärmepumpen hingegen eignen sich – je nach Anlage – für beide Varianten.

Eine Sonderform stellen sog. Luft-Luft-Wärmepumpen dar. Sie übertragen Wärme nicht auf Heizwasser, sondern auf die Raumluft. Daher gehören sie nicht zu den Heizsystemen, sondern zu Lüftungsanlagen. Luft-Luft-Wärmepumpen eignen sich somit besonders gut als Klimageräte, können jedoch nicht wie die anderen Wärmepumpenarten als alleiniges Heizsystem verwendet werden, da sie kein Frischwasser erwärmen können. Für die Warmwasserbereitung müsste bspw. zusätzlich eine Warmwasser-Wärmepumpe oder Solarthermie genutzt werden.

Funktionsweise der Wärmepumpe verstehen und sparsam heizen

Wärmepumpen sind moderne und technisch komplexe Heizsysteme. Um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, ist es nicht nur wichtig zu verstehen, wie Wärmepumpen funktionieren. Auch eine korrekte Dimensionierung und die fachgerechte Installation sind elementar für eine bestmögliche Effizienz der Anlage.

Der erste Schritt eines Heizungsinstallateurs ist demnach immer die Berechnung der Heizlast des Gebäudes. Dabei werden nicht nur der benötigte Wärmebedarf für die gewünschte Raumtemperatur und der Warmwasserbedarf berechnet, sondern auch mögliche Wärmeverluste durch Lüften oder die Dämmung der Gebäudehülle einbezogen. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Leistung der Wärmepumpe nicht zu niedrig oder zu hoch eingeschätzt wird. Eine optimal dimensionierte Wärmepumpe sollte knapp, aber ausreichend den Wärmebedarf decken können.

So kann auf ein häufiges Ein- und Ausschalten der Wärmepumpe verzichtet werden, um den Energieverbrauch nicht unnötig in die Höhe zu treiben. Dazu kann die Wärmepumpe auch im Sommer umgestellt werden. Moderne Wärmepumpen sind in der Regel mit einer automatischen Umschaltfunktion ausgestattet. Das heißt, sie erkennen die Umgebungstemperatur und stellen sich automatisch auf den Sommerbetrieb um. Um einen reibungslosen Ablauf der automatischen Umstellung zu gewährleisten, ist eine regelmäßige Wartung elementar. Vor Beginn der Heiz- und Kühlperiode sollte die Wärmepumpe überprüft werden, damit alle Komponenten ordnungsgemäß funktionieren.

Zudem ist es wichtig, zwischen dem Betrieb einer Gasheizung und einer Wärmepumpe zu unterscheiden. Beide Heizsysteme basieren auf gänzlich unterschiedlichen Funktionsprinzipien. So wird z. B. die Gasheizung auf eine feste Vorlauftemperatur eingestellt und über die Thermostate an der Heizung die Raumtemperatur reguliert. Die Wärmepumpe hingegen heizt mit einer sogenannten Heizkurve. Sie gibt den Bezug der Außentemperatur zur Vorlauftemperatur an.

Das heißt, die Wärmepumpe misst die Außentemperatur und passt die Vorlauftemperatur so an, dass die gewünschte Raumtemperatur erreicht wird. Dabei sollten die Temperaturregler der Heizkörper im besten Fall voll aufgedreht und danach nicht mehr verändert werden. Wird die Vorlauftemperatur manuell verändert oder die Temperaturregler der Heizung zurückgedreht, benötigt die Wärmepumpe übermäßig viel Energie, um die Räume aufzuheizen.

Welche Wärmepumpe funktioniert in meinem Haus am besten?

Unabhängig von der Funktion muss jede Wärmepumpe auf die individuellen Gegebenheiten des Hauses angepasst werden. Hierfür sollte bereits vorab ein Wärmepumpen-Fachbetrieb oder Energieberater konsultiert werden. Wärmepumpen-Anbieter bieten die Beratung und Planung sowie die Installation ihrer Produkte meist als Inklusivleistung an, sofern Sie die Anlage dort kaufen. Ein Energieberater kostet durchschnittlich 1.000 €, wenn er eine Beratung für ein Einfamilienhaus durchführt.

Wohnen Sie in einem Bestandsgebäude oder Altbau, sind Luft-Wasser-Wärmepumpen in der Regel am besten für Sie geeignet. Denn aufgrund ihrer Funktionsweise, werden sie einfach vor dem Haus aufgestellt, da dort der beste Zugang zur Wärmequelle – der Außenluft – besteht. Die Installation ist dementsprechend sehr einfach und auf den meisten Grundstücksarten problemlos umsetzbar.

Tipp: Einen ausführlichen Vergleich zur besten Luft-Wasser-Wärmepumpe finden Sie in unserem Artikel zum Wärmepumpen-Test.

Wer sich für eine Erd- oder Grundwasserwärmepumpe entscheidet, sollte in jedem Fall die teure und aufwendige Installation bedenken. Diese kann bis zu 8 Monate in Anspruch nehmen und setzt oftmals Genehmigungen für u. a. Erdbohrungen voraus. Infolgedessen sind Wasser- oder Erdwärmepumpen häufig besser für Neubauten geeignet, da die Erschließung der Wärmequelle in diesem Fall etwas einfacher ist.

Übrigens: Von der Auftragsbestätigung bis zur Installation der Wärmepumpe vergehen bei uns nur wenige Wochen. Wenn Sie sich für die Luft-Wasser-Wärmepumpe von thermondo entscheiden, bekommen Sie das Rundum-sorglos-Paket. Wir begleiten Sie von der Planung bis zur Installation und gehen alles Schritt für Schritt mit Ihnen durch. Auch zusätzliche Arbeiten, wie die des Elektrikers sowie die Fundamenterstellung, sind bei uns im Preis enthalten.

Mit thermondo zur Wärmepumpe

thermondo möchte Ihnen, als größter deutscher Heizungsinstallateur, den Umstieg auf die Wärmepumpe erleichtern und bietet Ihnen den Wechsel in seinem bewährten Komplettpaket an. Wir begleiten Sie von der Planung bis zur Installation und unterstützen Sie ebenfalls bei der Beantragung Ihrer Förderung.

Mit unserer hocheffizienten Luft-Wasser-Wärmepumpe heizen Sie auch im Altbau effizient und profitieren von einem modernen und umweltfreundlichen Heizsystem. Nutzen Sie einfach unseren Heizungsplaner.